浅谈风机叶片上传感技术的应用与发展

在风力发电机系统中，风机的叶片属于大型部件，是风机系统中把风能转化为机械能的主要部件，造价约为风机成本的1/4到1/3，风机的整体动能输入都是由叶片开始的。因此，叶片载荷输入与输出，以及结构本身的性能优劣、稳定性与可靠性都将直接影响整个系统运行状态。大多数风机叶片的设计寿命为20-25年，设计载荷确定主要来自于对风场风况的统计、风场模型计算结果与叶片设计经验参数等。但目前风场风况的数据不足、测风时间短、模型计算也有诸多假设、模型过于简化，并且风场的风况具有一定的随机性，导致风机实际运行时的风况超出叶片设计阶段选取的载荷参数。所以，风机叶片在设计、制造与运行的各个环节都必须对其载荷有精确的测试与监测，以便能更好的达到叶片全生命周期的最优设计指标，满足实际风况使用条件，同时实时掌握叶片安全状态。为了能使风机叶片在列装前及早发现结构设计不足，叶片在设计、制造与运行各个阶段就必须通过大量的载荷测试，以便对叶片结构强度与疲劳寿命进行评估，使叶片能满足风场风况的情况下，尽可能提高其经济性。

关于光纤技术在风电检测的运用，国内外展开了许多研究项目并取得了一定的研究成果。其中，韩国Chang-HwanKim等人[1]在小型风机叶片上分别采用传统的电阻应变片及光纤光栅传感器进行监测实验，证实了风电领域中光纤光栅检测技术的优良性能。同时，美国、韩国、德国[2-4]等各国相关研究团队也先后实现了基于光纤光栅技术的风机叶片静载监测、损伤检测等。

当然这种技术也有它的局限性，一是电阻应变片的测试系统容易受到电磁干扰，在电磁环境复杂的条件下，测试信号的噪声大，数据可信度低；二是对潮湿环境下抗腐蚀能力很弱，导致在腐蚀环境下系统的可靠性低，故障较多；三是应变片粘贴的寿命不高，一般200万次疲劳，应变较大的测点需要更换1-2次电阻应变传感器，原因是粘贴的胶由于疲劳而脱落；四是由于电阻应变片的供电与变化的电压很小，长导线情况下信号容易衰减，系统组网难度大，可靠性低；五是在风机叶片的静电电势高、容易雷击的环境下，连接传感器电缆容易把冲击电流引入到安装在轮毂上的采集设备上，导致采集系统损坏，同时对旁边的变桨控制系统造成安全危害。

以上这些缺点在短时间测试或者容易修复系统环境下容易被克服，所以几乎所有在叶片试验场中进行叶片载荷测试的系统都采用电阻应变片作为传感器。

图1电阻式应变片传感器示意图

当风机叶片在运行时，尤其是海上大型风机叶片需要对叶片载荷进行实时监测时，与电阻式应变片相比，光纤传感技术具有诸多优势。

首先，光纤传感技术属于无源传感器，它的本体与传输信号的光缆都属于非金属导体材料，在容易雷击的环境中不用担心引雷隐患，更能满足抗雷击的环境要求；其次，电阻应变计的抗疲劳性能也远不及光纤传感器，电阻应变计的电阻丝的抗疲劳性能低于光纤。同时，电阻应变片由于粘贴工艺的限制，在风机作业过程中容易在粘合处出现脱胶等问题，而光纤传感器由于其简便而可靠的植入工艺，大大提升了传感器在监测过程中的可靠性；再次，电阻式应变计的测量电压是微伏与毫伏级别，在风机运行的环境中易受电磁干扰，尤其是海上大兆瓦的风机机舱内通常配置了高压的变压器，电磁干扰极强，这大大降低了应变片的使用寿命及监测可靠性。而光纤材料采用非金属材料制作，其根据光波变化监测物理量的监测原理也使其不会受到电磁干扰，使用寿命和可靠性能远优于应变片；最后，非金属光纤材料更能耐受高盐雾环境，不易受到环境腐蚀，使用寿命比电阻应变计更长。

目前国内外主要的主机厂商在大兆瓦的风机上的叶根载荷监测系统所采用的传感技术基本都是光纤传感技术，这也说明了光纤传感技术在逐渐取代传统的电测传感器，成为风电叶片监测行业的新趋势。

FBG窄带反射谱的中心波长由光栅的等效折射率和折射率变化周期决定，物理量如应变、温度会通过弹光效应、热光效应改变光栅的等效折射率和折射率变化周期，从而使FBG反射谱的中心波长发生漂移，通过用波长信号解调仪检测FBG反射谱的中心波长变化，可实现对物理量信息的解调。

这种技术只有光纤的栅区才对应变和温度敏感，光纤的其他部分对它物理量不敏感，因此，基于FBG波长编码特性，FBG和光纤本身是一体化的，光源强度及其他因素造成的光衰减都不会影响FBG测量精度，同时在一根光纤上可并接或串接多个具有不同中心波长的FBG传感器进行多点分布式测量，如图2所示。

图2光纤光栅传感器工作原理

光纤光栅具有良好的应变与温度传感特性，但是由于光纤光栅特别纤细（直径约0.125mm），其主要成分是SiO2，因此特别脆弱，尤其它的抗剪能力很差，直接将其用于实际工程无法满足工程结构的粗放施工要求和野外恶劣环境的长期耐久性要求，因此，通过设计合理的金属或者非金属封装结构，将光纤光栅预封装为光纤传感器，可靠的封装工艺可以有效提高可靠性和实用简便性，达到更好的长期使用效果，这种可靠的性工艺的研发成本很高，周期也很长。

目前这种新光纤MEMS传感器在市场出现有光纤高精度位移计，它精度达到亚微米级别。在航空航天、军工领域应用的光纤MEMS加速度、光纤MEMS压力传感器、光纤MEMS温度传感器等都有良好的应用，解决了行业智能化发展的“卡脖子”问题。伴随着风电领域智能化进程的高速推进，这种新的光纤MEMS传感技术也将进入到风电领域产业链的各个环节。

[1]Kim, C.H., Paek, I. and Yoo, N. (2010) Monitoring of Small WindTurbine Blade Using FBG Sensors. International Conference on ControlAutomation and Systems, Gyeonggi-do, South Korea, 1059-1061.

[2]Schroeder, K., Ecke, W., Apitz, J., et al. (2006) A Fibre BraggGrating Sensor System Monitors Operational Load in a Wind TurbineRotor Blade. Institute of Physics Publishing, 17, 1167-1172.

[3]Choi, K.S., Huh, Y.H., Kwon, I.B., et al. (2012) A Tip DeflectionCalculation Method for a Wind Turbine Blade Using TemperatureCompensated FBG Sensors. Smart Materials and Structures, 21, 1-9.

作者：上海拜安传感技术有限公司 王新中